Beschreibung
P 1123 – Hohlprofilfachwerkstrukturen mit geklebten Strebenanschlüssen
Gründungsstrukturen von Offshore-Windenergieanlagen werden für Wassertiefen von mehr als 20 m häufig als Jacket-Fachwerkkonstruktion ausgeführt. Bisher werden die einzelnen Hohlprofile dieser Fachwerkkonstruktionen schweißtechnisch gefügt. Dies stellt aufgrund der räumlichen Verschneidung der Rohrprofile in den Knotenpunkten und der resultierenden komplexen Schweißnahtgeometrien sowie der für die Endmontage erforderlichen großen Freiflächen einen großen Fertigungsaufwand dar. Ein innovativer hybrider Anschluss der Streben an die Eckstiele dieser Tragkonstruktionen steht im Fokus des vorliegenden Forschungsprojektes. Das Konzept kombiniert dabei die Fügeverfahren Kleben, Schweißen und Schrauben durch die Ausbildung von Knotenteilschalen an den Enden der Streben. Diese einzelnen Teilschalen werden so ausgebildet, dass sie den Eckstiel umfassen und während der Montage zu einer Gesamtschale ergänzt werden. Nach der Verschraubung der einzelnen Teilschalen wird der verbleibende Spalt zwischen Knotenringschale und Eckstielrohrwandung klebtechnisch gefügt. Dieser Arbeitsschritt erfolgt im Herstellungswerk und somit unter definierten Umgebungsbedingungen. Hinsichtlich einer werkstoffgerechten Beanspruchung der Klebschicht hat diese Konstruktion den Vorteil, dass ständig wirkende statische Lasten (wie Eigengewicht) nahezu vollständig durch die durchlaufenden Eckstiele abgeleitet werden. Ferner ergibt sich infolge der fehlenden Schweißanschlüsse am Eckstiel eine Erhöhung der lokalen Ermüdungsfestigkeit. Zudem ermöglicht der hybride Anschluss eine Vorfertigung der Streben sowie die modulare Bauweise des Jackets.
Zunächst werden im Forschungsprojekt die Anforderungen und Randbedingungen der Jacket-Tragstruktur analysiert und definiert. In enger Zusammenarbeit mit Unternehmen der Offshore-Windenergiebranche werden die Beanspruchungen aus Wind, Wellenanprall und Anlagenbetrieb bestimmt. Ebenso werden reale, auf Forschungsplattformen in der Nordsee gemessene Klimadaten ausgewertet und daraus Anforderungen an die Klebverbindung abgeleitet. Aufgrund der Maßtoleranzen der Fügeteile sind Dickschichtklebungen von bis zu 25 mm erforderlich. Umfangreiche numerische Untersuchungen dienen der Analyse der Beanspruchung von Klebverbindung und Stahlstruktur. Hierzu werden numerische Modelle der gesamten Jacket-Tragstruktur erstellt. Dabei wird ein globales Stabwerksmodell mit Volumenmodellen im Bereich der geklebten Anschlüsse kombiniert, um die lokale Beanspruchung der Klebung bestimmen zu können. Es zeigt sich, dass aufgrund der konstruktiven Ausbildung der Anschlüsse sowohl hochsteife als auch elastische Klebstoffe zum Einsatz kommen können. Auf Basis der erarbeiteten Randbedingungen und Anforderungen werden im nächsten Arbeitsschritt geeignete, kommerziell verfügbare 2K-Klebstoffe ausgewählt. Diese werden experimentell charakterisiert. Auf Basis der Ergebnisse werden abschließend in Abstimmung zwei Klebstoffe priorisiert: ein hochsteifer 2K-Polyurethanklebstoff sowie ein elastischer 2K-Klebstoff auf EP-PU Hybrid-Basis.
Veröffentlichung:
Januar 2021
Autoren:
Dr.-Ing. M. Albiez, J. Damm, M.Sc., Prof. Dr.-Ing. T. Ummenhofer, Dipl.-Wirt.-Ing. S. Myslicki, Dr. T. Vallée, H. Ehard, M. Eng., Prof. Dr.-Ing. Ch. Schuler
